专利名称：无波前传感器的新型自适应光学方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光通信技术领域和自适应光学技术中的光场波前畸变补偿系统技术， 特别是涉及一种无波前传感器的新型自适应光学方法及系统。
背景技术：
随着空间数据信息量的不断增加，对数据传输带宽的需求也不断增加。而空间光 通信的带宽优势将使之成为空间科学研究、星间通信、星地通信以及载人航天、探月工程以 及对地观测数据信息的传输与交换的主要技术解决方案。美国、法国、俄罗斯、日本等发达 国家以及欧共体早在上个世纪70年代就在卫星有效载荷技术列入空间光通信试验计划， 并进行搭载通信试验。此后，空间光通信一直是空间科学与航天技术领域的研究热点。空间光通信要求系统灵活方便，小型化、轻量化和高可靠性。对于空间光通信，在空间光链路上，影响接收信号强度降低的因素不仅仅是大气 介质的直接衰减和光传输距离平凡反比衰减，还和大气的物理参量在光通信链路中的分布 密切相关。例如，对于卫星一地面光通信链路，约近600公里左右的大气层，其温度分布随 高度的不同而变，气流运动速度也不均勻，气压和温度在空间的随机分布引起大气折射率 在空间也呈随机分布，即形成所谓大气湍流。湍流大气使传播光场的波前发生畸变，波前畸 变导致光信号的振幅起伏、光线偏折(光传播方向偏离)和光束扩展，从接收效果上也对光 信号产生严重衰减，大大降低从自由空间到接收光纤的能量耦合效率，影响通信质量。引起 这种衰减的物理机制和光链路直接衰减以及距离平凡反比衰减的完全不同，由大气湍流产 生的光信号衰减和信号起伏(闪烁)，其物理过程实质上是传输光场的波前相位受湍流作用 而发生了畸变，若要消除或减弱这种畸变影响，就必须对传播光场的波前畸变进行补偿。在 光链路上矫正传播光场的波前畸变，是保证远距离宽带自由空间光通信可靠实施的最直接 和最有效的技术方案，是改善和提高自由空间光通信链路特性的重要手段，具有非常重要 的意义。自适应光学(Adaptive Optics，AO)技术是实时补偿大气湍流产生波前畸变的最 有效方案，这在空间望远镜系统和空间目标成像系统应用中得到了最好的证明。虽然AO技 术在上个世纪70年代就已开始发展，但最近几年才应用在自由空间光通信系统中改善通 信质量。自由空间光通信要求采用AO技术完全自适应，光信号跟踪响应快速，还要求系统 体积小，重量轻，与天文望远镜系统或空间目标成像系统中应用的常规或传统AO有较大差 别。常规的自适应光学系统，结构上由波前检测、波前重构、波前校正、相位共扼补偿 等部分组成，在孔径平面上实施波前畸变补偿，波前检测和波前重构需分别完成，整体构成 一个闭环控制系统。将这种系统应用到自由空间光通信系统，存在以下几方面的不足
①常规自适应光学(AO)系统(见图1)是一个线性时不变系统，其控制环路具有固定增 益，这种控制环路采用了先验大气统计特性，典型处理方法是采用一种大气折射率结构常 数Cn2模型，实际上并不是自适应的。因此，常规AO在算法方面表现出明显不足。AO在一些成像系统的应用中，为简便往往只考虑了惯性区域的湍流情况，其湍流尺度从几个毫米到 几十毫米，而远距离空间光通信链路上，由光束发散角(如半导体激光器)导致的光束扩展 区域达到米量级，这时，只考虑惯性区域就难以实现全天候通信！所用湍流大气模型的局 限和控制回路的算法落后是常规AO不适合应用到自由空间光通信系统的关键原因！例如 由于大气风速和湍流强度变化迅速，常规AO的固定增益补偿算法获得的波前补偿效果远 不理想。2007 年，B. L. ELLerbroek, J.S.Gibson 以及 Y. T.Liu 等人研究了基于 recursive least squares (RLS)优化重构矩阵的自适应波前重构算法，在这种算法中，虽然自适应控 制环取代经典AO系统的反馈环，并在模型误差和传感器噪声较大时取得了较好效果，但实 时性仍不够理想，响应速度仍不能满足空间光通信系统的快速要求。O波前传感器在强湍流时其波前检测性能大大下降，且因常规AO系统在孔径平 面实施波前补偿，因而高阶畸变得不到补偿，因此，在远距离高速自由空间光通信系统中， 常规AO对改善湍流大气引起的耦合能量衰减作用就不明显。③常规AO系统采用的是闭环控制，体积较大，算法复杂，响应速度慢。如上面所述，将AO系统应用于自由空间光通信，需要重新设计和加以改进。本发 明就是实现高速、远距离自由空间光通信，符合自由空间光通信系统特点的新型自适应光 学技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述远距离自由空间高速光通信存在的问 题，提供一种无波前传感器新型自适应光学方法及系统。所提供的方法能够抗湍流大气干 扰，所提供的系统能够矫正波前畸变，不仅适用于高速空间光通信，也适合于光学成像，便 于推广应用。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案
本发明提供的无波前传感器的新型自适应光学方法，其包括以下步骤
a.建立初始波前
采用统计预测分析方法，具体是对多种湍流模型的折射率结构函数进行变分处理，运 用多层湍流大气模型，再利用Zernik波前模式，在圆域上统计分析设定参考初始波前；
b.构建耦合效率评价函数
由光电探测器输出的信号构建耦合效率评价函数，具体是根据实测光电探测器输出 的信号与初始波前对应的探测输出信号的关系，利用步骤a中园域上的斯特列而比，建立
通信系统接收光能量的偶合效率评价函数，以此作为实时调整波前重构参量的参考数据之
c.获取倾斜补偿信号和重构波前矩阵信息
在波前重构算法处理器中对预测波前和耦合效率评价函数采用RLS算法和遗传算法 结合的波前重构算法进行处理，获得倾斜补偿信号和重构波前矩阵信息；
d.确定导视镜最佳位置
重构波前矩阵为128X128单元控制信息量，驱动空间光调制器，对畸变波前实施补 偿；倾斜补偿信号驱动导视镜，矫正由于湍流大气引起的光束偏折，以提高能量耦合效率；
e.根据能量耦合效率评价函数，进一步判断与调整预测波前，通过控制环路调整重构波前矩阵及倾斜补偿信号；
重复上述过程，直至获得最大能量耦合效率，同时消除波前畸变产生的信号闪烁。在步骤a中，所述初始波前可以作为实施波前矫正的参考波前，在后续的波前重 构神经网络遗传算法中还将自适应调整。还将自适应调整的方法可以是当依据耦合效 率评价函数与斯特列尔比对当前检测的波前参数评估没有达到理想状态时，则根据当前经 RLS算法和遗传算法获得的波前畸变评估参数对预测初始波前参数进行自适应调整，重新 对波前进行统计预测和重构波前，并再以耦合效率和斯特列尔比作为评估校正波前畸变的 因子，如此反复，直至达到容忍误差。在所述的步骤b中，由光电探测器输出的信号可以作为评价系统接收信号强弱的 参考量，同时作为波前畸变矫正的评价依据参考。本发明实现步骤c的具体方法可以是倾斜补偿信号和波前重构矩阵信息分别依 据耦合效率评价函数和初始波前信息，当耦合效率最高、亦即耦合效率函数达到极大值时， 判定倾斜补偿达到最佳；而通过遗传算法多次迭代、算法确认斯特列尔比达到最大且耦合 效率函数达到极大值时，波前重构矩阵信息即随之确定。本发明实现步骤d的具体方法可以是当128X 128波前重构矩阵参量确定后，将 该矩阵各单元信息转换为电压驱动信号，驱动波前补偿器件一一空间光调制器，对畸变波 前实施矫正，并将矫正波前信息送到算法处理单元，重复进行判断，直至斯特列尔比最大， 此时即确定波前矫正达到要求；而通过算法求得的倾斜补偿输出信号则驱动导视镜，矫正 波前畸变引起的光束偏转，并实时调整耦合效率评价函数，使其达到极大，即确定导视镜位 置达到最佳。本发明根据步骤c和步骤d所述的方法，可以将能量耦合效率评价函数和波前重 构矩阵按照预测波前及前一次接收信号的值进行调整，再进行判断，如此反复，直至最佳； 整个所述新型自适应光学过程在系统上形成一个闭环控制。本发明提供的无波前传感器的新型自适应光学系统，其主要由光学接收孔径透 镜、光束准直透镜、第一汇聚透镜、空间光调制器、准直透镜、导视镜、第二汇聚透镜和光电 探测器组成，它们依次以光路信号连接。本发明提供的上述无波前传感器的新型自适应光学系统，其在高速空间光通信或 者光学成像中的应用。本发明所述系统的具体应用过程如下 第一步，光束汇聚和整形
由光学接收孔径透镜将来自自由空间光传输系统发射机端的光束进行光束汇聚，在光 学接收孔径透镜的焦距以外再经光束准直透镜与第一汇聚透镜对光束整形，光束准直透镜 将光学接收孔径透镜的光束变换为平行光束，第一汇聚透镜将从光束准直透镜出射的光线 会聚后送到空间光调制器；
第二步，光信号转换为电信号
经空间光调制器出射的光束经准直透镜准直后进入导视镜，导视镜出射的光再由第二 汇聚透镜汇聚后送到光电探测器；光电探测器将光信号转换为电信号，作为建立耦合效率 评价函数参考数据；耦合评价函数由计算机通过接收算法给出； 第三步，形成重构波前控制信号预测波前和耦合效率评价函数一起送入波前重构算法处理器，经过迭代算符和最陡梯 度下降算法以及遗传算法，形成重构波前控制信号； 第四步，输出驱动信号
重构波前控制信号分两路后分别送入倾斜补偿和重构波前补偿，作为倾斜补偿驱动信 号和重构波前器件——空间光调制器的驱动信号。
本发明的技术特点是
(1)不采用波前传感器，而是采用统计预测方法和自相关干涉技术获得初始波前，
(2)在焦平面实施波前畸变补偿。 (3)波前畸变补偿控制环路实施开环控制。(4)体积小，重量轻，响应速度快，响应频率可达5000Hz。(5)采用了 128X 128单元子孔径波前重构技术，实施高精度波前畸变补偿。(6)采用了一种递归最小平方算法结合遗传算法的波前重构快速算法。(7)依据预先设定的能量最大值(斯特列尔比)，根据光电探测器反馈的信号判决 能量耦合效率，因此在提高能量耦合效率的同时，消除了由波前畸变引起的信号闪烁效应。本发明与传统自适应光学技术比较，还具有以下的主要优点 其一.符合自由空间光通信系统特点。由于没有传统的波前传感器，且在焦平面实施波前开环控制补偿，因此算法快速 简洁，使系统补偿响应速度快，体积减小，重量轻，成本低，便于大规模集成。而这正是自适 应光学系统追求的特性。其二.提高通信系统的可靠性。可实现对在随机介质中传播的光场产生的波前畸变进行有效补偿，从而消除由于 湍流大气引起的波前畸变导致的信号闪烁，降低通信系统的误码率，提高通信系统的可靠 性。其三.便于推广应用。所提供的系统还具有精度高的优势，不仅适用于远距离自由空间的高速光通信， 也适合于光学成像，便于推广应用。其四.实用性强应用于航天技术领域和空间技术领域有着显著优势。本发明技术应用于1. 25Gbit/s自由空间光通信系统，在传输距离3公里、大气能 见度5公里时，通信系统的误码率在不采用AO系统时，误码率为10_6 ；当采用本发明AO技 术时，误码率下降到10_8，系统性能提高了两个数量级。
图1为本发明无波前传感器的新型自适应光学系统的结构示意图。图中1.光学接收孔径透镜；2.光束准直透镜；3.第一汇聚透镜；4.准直透 镜；5.第二汇聚透镜；6.光电探测器。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。实施例1.无波前传感器的新型自适应光学方法该方法包括以下步骤 a.采用统计预测分析方法，建立初始波前。这是本发明技术的关键，根据大气湍流特征，对多种湍流模型进行统计分析，建立 一个可自适应调整的初始波前，作为矫正畸变波前的参考波前。方法是对多种湍流模型的 折射率结构函数进行变分处理，运用多层湍流大气模型，再利用Zernik波前模式，在圆域 上统计分析得出初始波前。该初始波前作为实施波前矫正的参考波前，在后续的波前重构遗传算法中还将按 照下述方法进行自适应调整当依据耦合效率评价函数与斯特列尔比对当前检测的波前参 数评估没有达到理想状态时，则根据当前经RLS算法和遗传算法获得的波前畸变评估参数 对预测初始波前参数进行自适应调整，重新对波前进行统计预测和重构波前，并再以耦合 效率和斯特列尔比作为校正波前畸变的评估因子，如此反复，直至达到容忍误差。b.由光电探测器输出的信号构建耦合效率评价函数。光电探测器输出的信号作为评价系统接收信号强弱的参考量，同时也作为波前畸 变矫正的评价依据参考。方法是根据实测光电探测器输出的信号与初始波前对应的探测输 出信号的关系，利用步骤a中园域上的斯特列而比，建立通信系统接收光能量的偶合效率 评价函数，以此作为实时调整波前重构参量的参考数据之一。c.在波前重构算法处理器中对预测波前和耦合效率评价函数采用RLS算法和遗 传算法结合的波前重构算法进行处理，获得倾斜补偿信号和重构波前矩阵信息。具体方法是倾斜补偿信号和波前重构矩阵信息分别依据耦合效率评价函数和初 始波前信息，当耦合效率最高、亦即耦合效率函数达到极大值时，判定倾斜补偿达到最佳； 而通过遗传算法多次迭代、算法确认斯特列尔比达到最大且耦合效率函数达到极大值时， 波前重构矩阵信息即随之确定。d.重构波前矩阵为128X128单元控制信息量，驱动空间光调制器，对畸变波前 实施补偿；倾斜补偿信号驱动导视镜，矫正由于湍流大气引起的光束偏折，以提高能量耦合 效率。具体方法是当128X128波前重构矩阵参量确定后，将该矩阵各单元信息转换为 电压驱动信号，驱动波前补偿器件一一空间光调制器，对畸变波前实施矫正，并将矫正波前 信息送到算法处理单元，重复进行判断，直至斯特列尔比最大，此时即确定波前矫正达到要 求。而通过算法求得的倾斜补偿输出信号则驱动导视镜，矫正波前畸变引起的光束偏转，并 实时调整耦合效率评价函数，使其达到极大，即确定导视镜位置达到最佳。e.根据能量耦合效率评价函数，进一步判断与调整预测波前，通过控制环路调整 重构波前矩阵及倾斜补偿信号。如步骤c和步骤d所述，能量耦合效率评价函数和波前重构矩阵是根据预测波前 及前一次接收信号的值进行调整，再进行判断，如此反复，直至最佳。整个过程在系统上形 成一个闭环控制。重复上述过程，直至获得最大能量耦合效率。该耦合效率一般为90%。完成上述过程后，在获得最大能量耦合效率的同时，由空间光调制器进入导视镜 的光信号已经经过波前畸变补偿，因而，由于波前畸变产生的信号闪烁也同时消除。实施例2.无波前传感器的新型自适应光学系统
8无波前传感器的新型自适应光学系统的结构如图1所示该系统主要由光学接收孔径 透镜1、光束准直透镜2、第一汇聚透镜3、空间光调制器、准直透镜4、导视镜、第二汇聚透镜 5和光电探测器6组成，它们依次以光路信号连接。本发明提供的上述无波前传感器的新型自适应光学系统，其在高速空间光通信或 者光学成像中的应用。本发明所述无波前传感器的新型自适应光学系统的具体应用过程如下 第一步，光束汇聚和整形
由接收机的光学接收孔径透镜1将来自自由空间光传输系统发射机端的光束进行光 束汇聚，在光学接收孔径透镜1的焦距以外再经光束准直透镜2与第一汇聚透镜3对光束 整形，光束准直透镜2将光学接收孔径透镜1的光束变换为平行光束，第一汇聚透镜3将从 光束准直透镜2出射的光线会聚后送到空间光调制器。第二步，光信号转换为电信号
经空间光调制器出射的光束经准直透镜4准直后进入导视镜，导视镜出射的光再由第 二汇聚透镜5汇聚后送到光电探测器6。光电探测器6将光信号转换为电信号，作为建立耦 合效率评价函数参考数据；耦合评价函数由计算机通过接收算法给出。所述空间光调制器置于第一汇聚透镜3的焦面上，作为对畸变波前的补偿器件， 其补偿过程由重构波前信号决定。所述导视镜的作用有两个一个是作为倾斜补偿光学器件，用以矫正光束波前畸 变的低阶误差；另一个是作为光束方向矫正器件，用以校正光束传播方向。第三步，形成重构波前控制信号
预测波前和耦合效率评价函数一起送入波前重构算法处理器，经过迭代算符和最陡梯 度下降算法以及遗传算法，形成重构波前控制信号。第四步，输出驱动信号
重构波前控制信号分两路后分别送入倾斜补偿和重构波前补偿，作为倾斜补偿驱动信 号和重构波前器件一一空间光调制器的驱动信号。以上只是本发明的一种实施例，本发明并不局限于上述实施例。
权利要求
一种无波前传感器的新型自适应光学方法，其特征是该方法包括以下步骤a. 建立初始波前采用统计预测分析方法，具体是对多种湍流模型的折射率结构函数进行变分处理，运用多层湍流大气模型，再利用Zernik波前模式，在圆域上统计分析设定参考初始波前；b. 构建耦合效率评价函数由光电探测器输出的信号构建耦合效率评价函数，具体是根据实测光电探测器输出的信号与初始波前对应的探测输出信号的关系，利用步骤a中园域上的斯特列而比，建立通信系统接收光能量的偶合效率评价函数，以此作为实时调整波前重构参量的参考数据之一；c. 获取倾斜补偿信号和重构波前矩阵信息在波前重构算法处理器中对预测波前和耦合效率评价函数采用RLS算法和遗传算法结合的波前重构算法进行处理，获得倾斜补偿信号和重构波前矩阵信息；d. 确定导视镜最佳位置重构波前矩阵为128×128单元控制信息量，驱动空间光调制器，对畸变波前实施补偿；倾斜补偿信号驱动导视镜，矫正由于湍流大气引起的光束偏折，以提高能量耦合效率；e. 根据能量耦合效率评价函数，进一步判断与调整预测波前，通过控制环路调整重构波前矩阵及倾斜补偿信号；重复上述过程，直至获得最大能量耦合效率，同时消除波前畸变产生的信号闪烁。
2.根据权利要求1所述的新型自适应光学方法，其特征是步骤a中所述初始波前作为 实施波前矫正的参考波前，在后续的波前重构神经网络遗传算法中还将自适应调整。
3.根据权利要求2所述的新型自适应光学方法，其特征是还将自适应调整的方法是 当依据耦合效率评价函数与斯特列尔比对当前检测的波前参数评估没有达到理想状态时， 则根据当前经RLS算法和遗传算法获得的波前畸变评估参数对预测初始波前参数进行自 适应调整，重新对波前进行统计预测和重构波前，并再以耦合效率和斯特列尔比作为评估 校正波前畸变的因子，如此反复，直至达到容忍误差。
4.根据权利要求1所述的新型自适应光学方法，其特征是步骤b中由光电探测器输出 的信号作为评价系统接收信号强弱的参考量，同时作为波前畸变矫正的评价依据参考。
5.根据权利要求1所述的新型自适应光学方法，其特征是实现步骤c的具体方法是 倾斜补偿信号和波前重构矩阵信息分别依据耦合效率评价函数和初始波前信息，当耦合效 率最高、亦即耦合效率函数达到极大值时，判定倾斜补偿达到最佳；而通过遗传算法多次迭 代、算法确认斯特列尔比达到最大且耦合效率函数达到极大值时，波前重构矩阵信息即随 之确定。
6.根据权利要求1所述的新型自适应光学方法，其特征是实现步骤d的具体方法是 当128X128波前重构矩阵参量确定后，将该矩阵各单元信息转换为电压驱动信号，驱动波 前补偿器件一一空间光调制器，对畸变波前实施矫正，并将矫正波前信息送到算法处理单 元，重复进行判断，直至斯特列尔比最大，此时即确定波前矫正达到要求；而通过算法求得 的倾斜补偿输出信号则驱动导视镜，矫正波前畸变引起的光束偏转，并实时调整耦合效率 评价函数，使其达到极大，即确定导视镜位置达到最佳。
7.根据权利要求1所述的新型自适应光学方法，其特征是根据步骤c和步骤d所述方法，将能量耦合效率评价函数和波前重构矩阵按照预测波前及前一次接收信号的值进行调 整，再进行判断，如此反复，直至最佳；整个所述新型自适应光学过程在系统上形成一个闭 环控制。
8.一种无波前传感器的新型自适应光学系统，其特征是该系统主要由光学接收孔径透 镜(1)、光束准直透镜(2)、第一汇聚透镜(3)、空间光调制器、准直透镜(4)、导视镜、第二汇 聚透镜(5)和光电探测器(6)组成，它们依次以光路信号连接。
9.权利要求8所述新型自适应光学系统的用途，其特征是该系统在高速空间光通信或 者光学成像中的应用。
10.根据权利要求9所述的的用途，其特征是第一步，光束汇聚和整形由光学接收孔径透镜(1)将来自自由空间光传输系统发射机端的光束进行光束汇聚， 在光学接收孔径透镜(1)的焦距以外再经光束准直透镜(2)与第一汇聚透镜(3)对光束整 形，光束准直透镜(2)将光学接收孔径透镜(1)的光束变换为平行光束，第一汇聚透镜(3) 将从光束准直透镜(2)出射的光线会聚后送到空间光调制器；第二步，光信号转换为电信号经空间光调制器出射的光束经准直透镜(4)准直后进入导视镜，导视镜出射的光再由 第二汇聚透镜(5)汇聚后送到光电探测器(6)；光电探测器(6)将光信号转换为电信号，作 为建立耦合效率评价函数参考数据；耦合评价函数由计算机通过接收算法给出；第三步，形成重构波前控制信号预测波前和耦合效率评价函数一起送入波前重构算法处理器，经过迭代算符和最陡梯 度下降算法以及遗传算法，形成重构波前控制信号；第四步，输出驱动信号重构波前控制信号分两路后分别送入倾斜补偿和重构波前补偿，作为倾斜补偿驱动信 号和重构波前器件——空间光调制器的驱动信号。
全文摘要
本发明提供一种无波前传感器的新型自适应光学方法及系统。该方法包括建立初始波前、构建耦合效率评价函数、获取倾斜补偿信号和重构波前矩阵信息、确定导视镜最佳位置和通过控制环路调整重构波前矩阵及倾斜补偿信号步骤。该系统主要由光学接收孔径透镜(1)、光束准直透镜(2)、第一汇聚透镜(3)、空间光调制器、准直透镜(4)、导视镜、第二汇聚透镜(5)和光电探测器(6)组成，它们依次以光路信号连接。该系统在高速空间光通信或者光学成像中的应用。本发明可以提高通信系统的可靠性，符合自由空间光通信系统特点，实用性强，便于推广应用。
文档编号G02B26/06GK101968567SQ20101029875
公开日2011年2月9日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者元秀华 申请人:华中科技大学